超宽禁带半导体的卓越设计
在半导体领域有一个名词叫禁带宽度(Band gap),它指的是导带与价带之间的带隙宽度(单位是电子伏特(ev))。众所周知固体中电子的能量是不可以连续取值的,而是一些不连续的能带,要导电就要有自由电子或者空穴存在,自由电子存在的能带称为导带(能导电),自由空穴存在的能带称为价带(亦能导电)。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴,就必须获得足够能量从价带跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关,禁带宽度越窄,材料的物性倾向于金属,反之则倾向于绝缘体。
在现有半导体材料中,根据禁带宽度不同可分为:窄禁带半导体材料(包含锗、硅及GaAs等)、宽禁带半导体材料(SiC、GaN等)及超宽禁带半导体材料(带隙大于3.4eV的AlGaN、金刚石、氧化镓等)。
今天我们介绍的对象是目前处于发展萌芽期的和性能优越但目前尚未能制成体单晶的新型超宽禁带材料(UWBG)。
UWBG:超高效的材料
超宽禁带半导体(UWBG)的出现为许多领域开辟了新的机遇,因为它们具有许多优越性能。UWBG带隙比硅(Si,带隙1.1eV)、宽带隙半导体 (GaN,带隙3.4eV)和碳化硅(SiC,带隙3.3eV)都要宽得多。其中,氧化镓(Ga2O3)、氮化三硼(c-BN)、氮化铝镓(AlGaN)等材料是UWBG的典型代表。本文将对这些UWBG半导体材料在电子设计中的潜在应用进行介绍。
WBG
在了解UWBG半导体之前,先回顾宽禁带WBG半导体。WBG半导体比同等的硅器件更小、更快、更高效。而带隙是材料的基本属性,根据带隙值有助于确定材料的导电性和晶体管的性能。WBG材料能够让器件工作在高压、高频和高温条件下,而且随着研究的深入,宽禁带材料已经开始对功率转换系统产生影响。